飛機外掛物投放風洞試驗控制及測量系統(tǒng)

張玉龍ZHANG Yu-long；舒鳳金SHU Feng-jin；張世芳ZHANG Shi-fang；趙樹朋ZHAO Shu-peng；袁永偉YUAN Yong-wei；張潤森ZHANG Run-sen；賈亞雷JIA Ya-lei

（①河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院車輛工程系，保定 071000；②保定凱博瑞機械制造有限公司，保定 071000）

0 引言

時代的發(fā)展對飛機的各項功能的優(yōu)化起到了重要的推動作用，在技術支撐下當代飛機基本已經(jīng)具備續(xù)航、高速傳輸?shù)裙δ堋榱诉M一步發(fā)揮飛機的機動性就需要對飛機的掛載、氣動外形等進行優(yōu)化。例如在飛機掛載上增強了外掛物種類與數(shù)量。為進一步提高飛機隱藏特性，減少摩擦阻力、提升飛機的續(xù)航性能，內(nèi)嵌一些外掛物從而實現(xiàn)投放環(huán)節(jié)中機艙門打開后快速進行彈射發(fā)射，這些技術已經(jīng)在海外很多先進的飛機上獲得了運用，它一般以液壓機或氣動為動力裝置，依靠精密的內(nèi)嵌投放設備實現(xiàn)安全投放目的。伴隨著試驗的需求提升不斷提升，投放試驗要求也在不斷增長，例如外掛物內(nèi)嵌投放安全隱患。傳統(tǒng)式自由的投放和高速攝影g已難以適應任務要求，亟需引進先進的技術，如精準時序控制，高速攝影及其當代檢測方式完成多通道投放精準管理與運動軌跡判斷剖析及其內(nèi)嵌外掛物助推可控性等。

1 控制系統(tǒng)設計

1.1 全面的總體設計方案

這個系統(tǒng)主要包括六個部分，即工控機、電子計數(shù)器主控板、投放控制回路、助推控制回路、拍攝系統(tǒng)及檢測裝置。該系統(tǒng)選用工控電腦與電子計數(shù)器主控板作為控制中心，當系統(tǒng)結構準備就緒時，依據(jù)測試標準并依據(jù)系統(tǒng)設置的順序開啟電子計數(shù)器主控板相應端口的計數(shù)器產(chǎn)生脈沖信號，給外場操縱主控板及電源電路設定輸入條件，從而引起外掛軟件物投放，推動力開啟，監(jiān)控攝像頭工作中等多種事情按設置時鐘頻率開展，保證了外掛物投放試驗的取得成功。推動力檢測裝置接受觸發(fā)信號并同步收集投放開始同步采集。（圖1）

圖1 投放控制及測量系統(tǒng)框圖

1.2 系統(tǒng)配置及功能

1.2.1 投放控制板卡

多通道投放控制的核心內(nèi)容是進行時序控制，以避免每一個投放目標間互相影響，進而影響投放安全性或無法達到預期的投放目標。該網(wǎng)站以NI記時/電子計數(shù)器主控芯片PCI6602為時序控制的核心部分，這樣可以通過對原頻率進行系統(tǒng)篩選，從而為時序的高可控性奠定基礎。電子計數(shù)器主控板：NIPCI6602在時序控制中處在核心地位，它性能優(yōu)劣影響控制系統(tǒng)精密度指標。這類主控板有如下幾個指標：一是不得超過應用8路32位電子計數(shù)器/計時器；二是有100kHz、20MHz、80MHz三種源頻率供選擇（帶預定標器能高達125MHz）；帶短時間脈沖干擾數(shù)字的防抖動過濾；三是專用數(shù)字I/O線。這種計數(shù)器能夠帶來單脈沖、單觸發(fā)脈沖、矩形脈沖和其它各種方法的脈沖。它是以源輸出功率作為時間基準，脈沖時間延遲與脈沖寬度由源信號頻率輸入周期數(shù)確定，它的可操控時間精度達分秒量級，并且8路記時器是相對獨立的，能夠同步運行。它所產(chǎn)生的單脈沖既可以直接打開繼電器輸出主控芯片又可以直接用以拍照同步打開及檢測系統(tǒng)的觸發(fā)信號，定時精度高。

繼電器輸出板PCLD-885：因準時/記數(shù)器板數(shù)字I/O服務器端口TTL差分信號導出來，這樣無法使驅(qū)動力充分地發(fā)揮出來，這也會導致各個控制回來的控制效果不佳。記數(shù)器主控芯片與待測設備間提升了中間控制模塊的運行效率，可將電磁閥導出主控芯片，通過它對于外置電源電源電路進行高效控制。這種主控芯片是16路陣式單擲（SPST）常開式（NO）電磁閥的主控芯片，觸點容量是5A/250VAC或者5A/30VDC。且板內(nèi)有繼電器動作指示和變阻器保護，用螺釘相連的方式聯(lián)接內(nèi)外線，方便，安全性能高，能夠滿足投放實驗操作中各種電源控制要求。

1.2.2 投放控制電路

投放控制電路需要與外掛物投放自動控制系統(tǒng)匹配運用。外掛物跟子機設備連接方式一般有三種：第一種是用康銅絲連接，外掛物的重量超過額定標準，需要適當采用掛鉤，在投放環(huán)節(jié)上融斷康銅絲以達到外掛物的釋放；另一種是由高壓空氣促進作動筒移動光纖激光切割數(shù)字模型進行掛線的方法；有磁性的繼電器在投放前吸在一起，在投放環(huán)節(jié)上關閉電源。此設備依據(jù)融斷康銅絲來達到釋放出外物的目標。在圖2中可以看到依據(jù)所方案設計直流電源儲電機器設備以可控硅為核心元器件融斷主回路是否導通，它的導通觸發(fā)信號受主控機控制，電源總開關響應時間達微秒級別。繼電器的使用常常會處于高電壓的環(huán)境，通過接觸器這個裝置各個回路可以完成獨立控制，之間不會發(fā)生相互影響。并且在投放結束后可以自動切斷回路，有效地保證工作人員的人身安全。實驗前對不同型號規(guī)格康銅絲進行了融斷實驗，確認了快速融斷所需的供配電系統(tǒng)規(guī)范，同時為可調(diào)電源的儲電奠定基礎。模型設計時需注意絕緣層問題，重要部分運用耐高溫耐高壓的聚酰亞胺薄膜原料以保證融斷控制電路吊架與試驗模型保持充分的絕緣性。

圖2 康銅絲熔斷主回路

1.2.3 助推控制回路

推動控制回路一般用于投放內(nèi)置式外掛物，防止在自由投放過程中對飛機場造成影響從而影響安全飛行，還能夠用于需彈跳投放的重要場合。最重要的是要對外開放掛物造成必需的瞬間推動力。推動力操縱包含高壓氣動閥門（氮氣瓶或高壓氣閥源站），調(diào)壓閥，高壓電磁閥，專用型作動筒（活塞桿）和對應的管道。根據(jù)調(diào)整所需要的壓力，在康銅絲融斷的瞬間，電磁閥開啟，高壓空氣促進作動筒擴大開放掛物導致沖擊力以達到跳躍投放總體目標。促進管路系統(tǒng)以通向型號規(guī)格液壓膠管，電磁閥合作動筒為主體，根據(jù)自己的需求合理布局有4路。將儲存罐設置于實體模型投放尾部最鄰近的有效位置，有利于促進壓力穩(wěn)定并提供精確的管理和精確測量輸入條件。

1.2.4 瞬時力檢測系統(tǒng)的投放

如圖3所示，促進瞬時力精準測量包括拉壓力傳感器，同步信號觸發(fā)器原理，脈沖調(diào)制，同步數(shù)據(jù)采集模塊和搜集數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等。在這其中，傳感器選擇ENDEVCO振動測量高頻回復拉壓力傳感器。綜合考慮其差分信號和NIA/D數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集卡PXI-6123之間匹配性和提升性能等諸多要素，采用脈沖調(diào)制卡增大。監(jiān)測系統(tǒng)只接受投放控制系統(tǒng)傳出一類觸發(fā)信號，而其它功能則相對獨立性。要求壓力按測試標準開展事先校正，外掛物配有2個感應器，PCI6602在銅線熔斷以前向檢測裝置PXI6602傳出上拉電阻觸發(fā)信號，完成瞬時力的同步收集。由于感應器和時間非常短，為確保數(shù)據(jù)的完整性，將常規(guī)收集時長列入3s，在多通道投放的情形下應適當延長，采樣頻率可以從10kS·s-1以上，在程序界面上對應用于外掛物測力傳感器信號分析后展示出來并存放數(shù)據(jù)，運用對應的換算關系能夠測算推力值。

圖3 助推力測量系統(tǒng)

1.2.5 高速攝影系統(tǒng)

為保證多方位軌跡記錄，在風洞試驗段的正前方、正下方和側方位置區(qū)域設置了三個快速數(shù)字攝像機（也可以根據(jù)測試要調(diào)整頻次及位置），根據(jù)和監(jiān)控攝像頭相符的同步組件，保證同步工作。根據(jù)工控機控制同步拍攝的運行。

1.2.6 多通道直流穩(wěn)壓電源

投放管理與檢測系統(tǒng)主要包含以上各部件，根據(jù)工控電腦程序編寫進行系統(tǒng)軟件協(xié)調(diào)工作，PCI6602型計數(shù)器主控板中各電子計數(shù)器的工作比較獨立，本實用新型專利可以確保每個開啟動作間不受影響，保證各路投放和相關觸發(fā)信號在時鐘頻率上精準可控。

1.3 系統(tǒng)軟件設計

瞬時力測量程序流程用以對推動力進行數(shù)據(jù)收集，顯示，儲存及測算，進而認證推動方案是否可靠，精確。在隨后的檢測中，由于室內(nèi)空間或具體的需要，有些情況下感應器安裝難度大，也就不再重復了。圖像檢測軟件運用照相機內(nèi)置程序流程可以提供高達6維軌跡分析結果。而本文章主要講述了系統(tǒng)軟件投放監(jiān)控軟件設計。軟件由VC++撰寫，規(guī)范WINDOWS插口，并且通過NIPCI6602電子計數(shù)器板組態(tài)軟件，匹配電子計數(shù)器做功并導出脈沖開啟電磁閥板和檢測裝置以操縱監(jiān)控攝像頭開啟，投彈，推動及精確測量收集數(shù)據(jù)信號。所有前期準備工作結束后，投放管理程序開始啟動。電子計數(shù)器開始運動和單脈沖產(chǎn)生延遲按測試標準進行設定，保證各個階段有序工作。編程設計師依據(jù)試驗的具體操縱要求選了相對應的投放控制回路及投放方法（有沒有推動）并按照時鐘頻率設定了時長，從而實現(xiàn)收集設備（監(jiān)控攝像頭、檢測裝置）操作及投放執(zhí)行。全部軟件界面簡約、一目了然，同時程序模塊可以按照需即時做出調(diào)整，滿足更多任務要求。

2 實驗過程

在以上的控制系統(tǒng)完成安裝后，就需要進行地面調(diào)試，這是進行正式實驗的必要步驟。其目的是為了確保調(diào)試后可以符合實驗要求。調(diào)試的內(nèi)容包含檢測各個裝備的電源以及電壓是否符合正常標準；控制與彈射壓力的調(diào)試與標定；檢查繼電器的運行情況，如吸合功能是否正常；燈光的調(diào)試則需要觀察光強與位置這兩個要素；高速攝影系統(tǒng)的運轉情況，如走卷、啟動與停止、走卷均勻、時標、膠卷、沖洗、藥水、顯定影時間等等；投放系統(tǒng)的綜合協(xié)調(diào)。在完成以上項目的調(diào)試后，若結果符合要求，則可以進行正式實驗。此外，實驗后期還需要進行一定的處理，例如想要沖洗膠卷獲得高質(zhì)量的底片，需要通過高速攝影底片判讀軌跡；剪接膠片從而方便圖像的保存、復制、匯報、查看等。

3 實驗結果

多通道投放控制g已被實驗所驗證。下面就來助推測量及軌跡記錄得到的結果加以分析。當已知作動筒活塞桿總面積，感應器指數(shù)（相互關系），推動輸出壓力等參數(shù)時，運用傳統(tǒng)式計算方式與評測換算部分瞬間推動力信息進行數(shù)據(jù)分析，可以看出：推動承受力滿足預期的目標要求，計劃方案可靠精確。特別是在要注意的是感應器在安裝流程中的位置至關重要，它感應面始終保持在液壓缸垂直的方向上。運用高速攝影記錄投放運動軌跡，并通過圖像檢測軟件完成典型狀態(tài)圖像分析與運動軌跡判斷以獲得典型性實驗狀況下分離出來軌跡數(shù)據(jù)，從而更加精確地確定位置和方向，在通過數(shù)據(jù)制圖進一步地對實驗進行分析，這將大幅提升投放的精確度。

4 結束語

投放自動控制系統(tǒng)選用工控電腦及電子計數(shù)器主控板做為操縱時鐘頻率的核心，并且通過與此相匹配的相對應投放、助推、高速攝影及瞬間風速精確測量等設施，完成高達四路投放隨意組合模式全自動精準時序控制，投放運動軌跡數(shù)據(jù)可視化判斷分析等作用，在證實推動方式穩(wěn)定性前提下，可以滿足低速檔乘波體中飛機外掛物放樣實驗的要求。由于該系統(tǒng)軟件g已很好地運用在某型高達四路外掛物投放風洞實驗中，并得出了多種投放模式的測試數(shù)據(jù)，全面驗證了系統(tǒng)的可行性。